基于液金表面改性的垂直取向石墨烯热界面材料实现极低界面热阻

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基于液金表面改性的垂直取向石墨烯热界面材料实现极低界面热阻（DOI: 10.1007/s40820-022-00979-2）

摘要：
随着高功率电子器件热流密度的持续提升，传统热界面材料（TIM）已难以满足“高导热+低接触热阻”的双重要求。本文提出并制备了一种“三明治”结构的新型石墨烯基热界面材料——液金修饰垂直取向石墨烯单体（LM-VAGM）。该材料以垂直取向石墨烯为中间高导热骨架，上下表面包覆微米级液金镓层，通过电子束蒸发与真空热蒸发工艺实现稳定复合。实验结果显示，LM-VAGM 的纵向热导率高达 176 W·m⁻¹·K⁻¹，同时在 10–100 psi 封装压力下，界面热阻低至 4–6 K·mm²·W⁻¹，比传统石墨烯 TIM 降低一个数量级。液金层作为缓冲层，显著提升了 TIM 与芯片/散热器粗糙表面之间的有效接触面积，从而抑制了固体-固体界面微观空隙对热传输的阻碍。基于 ASTM D5470 的稳态热阻测试与红外热成像共同验证了 LM-VAGM 在实际封装条件下的优异散热性能。在 200 W 加热功率下，采用 LM-VAGM 的芯片温度较未使用 TIM 降低 90.6 °C，比商用 Carbonaut 导热垫低 13.2 °C，散热效率提升 49.8%。该研究为二维材料热界面材料的结构设计和界面热管理提供了新思路，有望推动高功率芯片热管理方案的升级。
关键词：热界面材料；垂直取向石墨烯；液金；界面热阻；热管理

1 引言
半导体器件功率密度的不断攀升，使得“热”成为制约其性能与可靠性的核心瓶颈。热界面材料（TIM）通过替换界面处低导热空气（≈0.026 W·m⁻¹·K⁻¹），实现芯片与散热器之间的有效热连接，其纵向热导率（κ⊥）与接触热阻（R_contact）共同决定系统总热阻 R_total=BLT/κ⊥+R_contact。传统填充型 TIM 受限于聚合物基体与导热颗粒之间的界面声子散射，κ⊥ 通常低于 5 W·m⁻¹·K⁻¹，且难以兼顾高压缩性与表面适形，R_contact 高达 20–30 K·mm²·W⁻¹，已无法满足 GaN、SiC 等新一代功率器件的散热需求。
石墨烯因其 basal-plane 热导率高达 3500 W·m⁻¹·K⁻¹，被视为下一代 TIM 的理想骨架。然而，随机堆叠的石墨烯膜面内取向导致 κ⊥ 极低；虽可通过外力或冰模板法实现垂直取向，但石墨烯边缘与粗糙固体表面之间为离散点接触，实际接触面积 <10%，造成巨大界面热阻。如何同时提高 κ⊥ 并降低 R_contact，是石墨烯 TIM 走向实用化的关键难题。
2 材料设计与制备
2.1 垂直取向石墨烯单体（VAGM）的构筑
首先以 10.6 nm 厚石墨烯纳米片为原料，通过真空抽滤、冷压-石墨化（2800 °C）制得 φ28 mm 高取向石墨烯纸；随后将其粘贴于预拉伸 250 % 的弹性体，释放应变后石墨烯纸产生可控褶皱；再经双轴压缩（压缩比 50 %）得到 2 cm×2 cm×2 mm 的块体，内部石墨烯片层垂直于厚度方向排列。最后，精密抛光-氢等离子体（850 °C）去除上下表面“平躺”石墨烯，获得完全由垂直边缘构成的 VAGM，密度 0.35 g·cm⁻³，孔隙率 ～80 %，为后续液金渗入与表面润湿提供条件。
2.2 液金表面改性
镓的熔点 29.8 °C，在器件工作温区（>40 °C）呈液态，可流动填充微观间隙。然而镓对石墨烯润湿性差，直接涂覆易团聚。本文采用“电子束蒸发 Ti/Au（20 nm/50 nm）+ 真空热蒸发 Ga（4–5 µm）”两步工艺：Ti 层提高附着力，Au 层防止 Ga 氧化并降低表面张力，最终获得厚度约 5 µm、连续致密的 Ga 包覆层。SEM 与能谱证实 Ga 仅分布于表面，内部仍保持垂直石墨烯多孔骨架，确保材料整体可压缩（压缩模量 0.9 MPa）与可弯曲。
3 结果与讨论
3.1 导热性能
激光闪射法（ASTM E1461）表明，石墨烯纸因面内取向，κ⊥ 仅 2.4 W·m⁻¹·K⁻¹；经取向调控后 VAGM 的 κ⊥ 提升至 213 W·m⁻¹·K⁻¹；引入液金后略降至 176 W·m⁻¹·K⁻¹，仍比已报道的垂直石墨烯/聚合物复合 TIM 高 5 倍，与纯钨（167 W·m⁻¹·K⁻¹）相当。温度相关测试显示，25–150 °C 范围内 κ⊥>150 W·m⁻¹·K⁻¹，且 1000 次热循环后衰减 <3 %，满足功率器件全生命周期需求。
3.2 界面热阻
基于 ASTM D5470 的稳态热阻测量表明，在 10–100 psi 封装压力下，VAGM 的 R_contact 为 20–30 K·mm²·W⁻¹，与文献值一致；而 LM-VAGM 因液金流动填充，R_contact 降至 4–6 K·mm²·W⁻¹，降低约 80 %。液金层使有效接触热导由 0.059 MW·m⁻²·K⁻¹ 提升至 0.98 MW·m⁻²·K⁻¹，且热导对压力不敏感，实现“压力-解耦”式稳定散热，有利于实际封装工艺窗口放大。
3.3 封装级散热验证
搭建陶瓷加热器-水冷板系统，在 30 psi、200 W 条件下比较 LM-VAGM、VAGM 与商用 Carbonaut 导热垫。红外热像显示，LM-VAGM 对应芯片稳态温度 77.4 °C，比无 TIM 降低 90.6 °C，比 Carbonaut 低 13.2 °C；换算得到系统散热通量提升 49.8 %。模拟分析进一步指出，LM-VAGM 的总热阻 9–11 K·mm²·W⁻¹，远低于 VAGM（59 K·mm²·W⁻¹）与 Carbonaut（46 K·mm²·W⁻¹），其中 R_contact 仅占 4.2 K·mm²·W⁻¹，验证了“高 κ⊥+低 R_contact”设计思路的正确性。
4 结论
本文通过“垂直取向骨架+液金表面润湿”策略，突破了传统石墨烯 TIM 在导热与界面接触之间的权衡瓶颈，制备的 LM-VAGM 同时实现 176 W·m⁻¹·K⁻¹ 的超高 κ⊥ 与 4–6 K·mm²·W⁻¹ 的极低 R_contact。该材料制备工艺与半导体封装流程兼容，经 1000 次热循环与 400 W 热冲击验证性能无衰减，为高功率芯片、射频功放、激光器等热管理提供了可靠、高效的解决方案，也为二维材料在热界面领域的工程化应用提供了可扩展的技术路线。